圆明亮琢型宝石分拣计数器的设计与实现

邓小林，潘明华，韦衡冰，潘家兴，石 磊

(1.2.3.4.5.梧州学院，广西 梧州 543002)

0 引言

梧州被誉为“人工宝石之都”，已成为全国人工宝石原材料、机械设备、加工辅助材料的交易中心，形成了宝石半成品外发、成品收购、宝石机械设备、宝石原料等一条龙的专业市场，是世界上最大的人造宝石加工和贸易集散基地[1-2]。伴随着宝石产业的快速发展，针对宝石加工的相关设备研发，得到了越来越多的企业和研发人员的重视，开发出了各种宝石加工设备，对促进宝石的加工起到了积极的推进作用。

虽然近几年针对宝石加工的设备研发取得了长足的进步，但针对宝石分拣、计数的相关工作，目前市面上却主要由工人在灯光下借用固定板孔的计数板手工计数来完成。由于宝石体积小、多面反光，导致宝石计数困难，其效率和准确率都较低，加上宝石反射的强光对人的眼睛会造成伤害，长期从事此类工作，对眼睛的视力会造成极大的危害。2010年徐慧英[3]研发了一种自动点数器，实现了对大批量颗粒宝石产品进行点数，但在结束点数时，其工作原理主要通过控制振动模块速度，来避免颗粒产品从振动盘中掉下。由于宝石本身的惯性力，尤其是在大批量快速计数时，由于速度从快到慢的突然转换，可能导致宝石由于惯性力掉下。笔者在前期[4]研发了一种人工宝石颗粒自动计数机，该机器主要通过料箱内宝石堆落至计数板，通过电机带动计数板前移，利用刮板将宝石刮入计数板孔中，传感器通过计算板孔来回运动的数量，达到对宝石计数的目的。由于宝石主要依靠刮板将宝石刮入计数板，在实际应用中还存在当进料箱宝石不足时，料斗内剩余的宝石无法填满计数板的问题。潘明华[5]等人将图像处理技术应用到宝石点数机上，通过图像识别，对进入识别区的分散的人工宝石进行自动识别并进行计数。但宝石掉落到识别区时容易出现宝石堆叠现象。

通过上述分析可知，虽然现在已经有一些关于宝石计数的相关装置，但还存在着部分关键技术问题有待进一步解决。而集宝石分拣与计数于一体的设备，通过前期市场调研，并没有发现类似的设备或文献报道。为了进一步提高宝石的计数效率和准确率，减轻宝石从业人员的劳动强度，降低宝石产品的计数成本，研究一款集宝石分拣、计数于一体的全自动化设备来代替人工分拣和计数，具有重要的现实意义。设备的研发成果将会在现有基础上提高宝石分拣计数的效率和水平，对促进地方产业具有重要的现实意义。

1 总体结构设计

设计的宝石分拣计数装置主要用来对市面上产销量大的3mm、4mm、5mm三种不同尺寸的圆明亮琢型宝石进行分拣和计数。这里，首先对圆明亮琢型宝石结构的基本结构和名称进行简单介绍，由于不同的专家和学者在对宝石各部分名称的命名上稍有不同，这里引用参考文献[6]对宝石的基本结构和各部分名称进行说明。图1所示为参考文献[6]所列的圆明亮琢型宝石的各部分名称。整个宝石由冠部、腰部和亭部三大部分构成。上面的冠部主要由中央八边形面的台面、冠主面、冠主面与台面之间的8个三角形的星小面以及冠主面与腰部之间的16个上腰小面所构成。中间部分为宝石的腰部，腰部以下为亭部，亭部由16个下腰小面和8个亭主面构成。冠主面与腰围台面的夹角称为冠角，亭主面与腰围小平面的夹角称为亭角。上腰小面、下腰小面、星小面与腰围水平面的夹角分别称为上腰小面倾角、下腰小面倾角以及星小面倾角。详细的结构如图1所示。

图1 圆明亮琢型宝石结构图

考虑到设备主要实现分拣和计数两大功能，这里将整个设备设计成由分拣装置和计数装置两大部分构成。其中，分拣装置主要用来对混合在一起的不同尺寸大小的人工宝石进行分拣，计数装置可以实现对分拣出来不同尺寸的宝石分类计数，并通过开发的液晶显示系统实时显示。其总体结构如图2所示。

图2 分拣计数装置总体结构图

注：(1)5mm出料漏斗(2)4mm出料漏斗(3)3mm出料漏斗(4)筛网1(5)筛网2(6)进料料斗(7)弹簧(8)直线振动电机1(9)控制系统(10)显示系统(11)步进电机(12)3mm收集箱(13)4mm收集箱(14)5mm收集箱(15)出料槽(16)临时储存器(17)压电传感器(18)直线振动电机2(19)Ⅲ号V型传送槽(20)Ⅱ号V型传送槽(21)Ⅰ号V型传送槽

整个宝石的工作流程主要采用如下方式进行：首先，将不同规格的人工宝石通过进料料斗倒入分拣系统进行分拣。分拣主要通过筛网1和筛网2进行。通过筛网1的筛选，尺寸大于5mm的宝石无法通过筛网，被直线振动电机输送到I号V型传送槽。通过筛网1筛选出来的宝石掉入筛网2，利用筛网2再一次进行自动筛选。经过筛网2筛选出来的3mm尺寸的宝石，自动被直线振动电机输送到III号V型传送槽，未通过的4mm的宝石被直线振动电机输送到II号V型传送槽。进入V型传送槽的宝石在计数装置的直线振动电机的带动下，向前传送，通过计数系统进行计数。计数主要包括普通的点数和通过控制系统预设数目的定量计数两种方式。系统默认采用的是普通计数方式，即V型传送槽的宝石在计数装置的直线振动电机的带动下，向前输送，在落入临时储存器过程中，触碰压电传感器进行自动计数，临时储存器自动旋转，将宝石倒入收集箱中，完成普通的点数功能。如果采用的是预设数目的定量计数方式，则落入临时储存器的宝石并不会被自动输送到收集箱中，只有当落入的数目达到预设的数量时，控制系统控制步进电机旋转临时储存器，将达到预设数量的临时储存器的宝石倒入收集箱中，实现定量计数的功能。详细的工作流程图如图3所示。

图3 整机工作流程图

2 设备工况及工作循环图

宝石分拣计数器上各工位详细工况如图4所示。通过分拣过程①工位对倒进来的混合的三种不同规格的宝石进行全自动分拣。其中，①→②过程为直径3mm的宝石分拣，①→③为直径4mm的宝石分拣，①→④为直径5mm的宝石分拣。分拣后的宝石在V型传送槽中通过传送过程⑤传送到计数装置。最后，通过计数装置⑥，采用压电传感器对宝石按照设定的方式进行计数，得到想要的宝石数目。

图4 设备工况示意图

整个设备运动循环图如图5所示。

图5 整机的运动循环图

3 详细结构设计

3.1 分拣装置结构设计及部件参数

本设计主要研究适用于直径为3mm、4mm、5mm的圆明亮琢型宝石。分拣装置详细结构设计如下页图6所示。装置主要通过设计筛网孔的不同直径大小来进行分拣工作。装置主要部件的选用及技术参数如下。

(1)电机

设计采用的振动筛为座式结构，结合设计要求，采用直线振动电机，电机电压24V，电机转速4500r/min。

(2)筛网长度与宽度

本设计所采用的圆孔筛网的长度为270mm，圆孔筛网宽度为90mm，宽长比为1∶3。

(3)筛网孔形状与尺寸

筛分颗粒形状和用途决定了筛网孔形状的选择。设计主要是针对圆明亮琢型宝石，故选用圆形筛孔，尺寸是根据筛选的宝石的规格进行变化。其尺寸应满足以下要求：

D孔≥D宝石+h

(式1)

这里，

D孔指的是筛网孔的直径；

D宝石指的是宝石腰部直径；

h指的是间隙，这里取0.5mm。

(4)振动筛振幅确定

设计选用的是直线振动电机，结合设计情况，选用振幅A=4mm。

(5)振动角β

随着直线振动电机安装角度的变化，宝石运动的方向也会跟着改变，一般直线振动电机的安装角度是与水平方向成45°。考虑到上述因素，该振动方向角选取β=45°。

图6 分拣装置详细结构设计

3.2 计数装置结构设计及部件参数

计数装置包括V型传送槽、压电传感器、临时储存器以及收集箱组成。其详细结构图如下页图7所示。

装置主要部件的选用及技术参数如下。

(1)电机

结合设计要求，采用直线振动电机，电机电压24V，电机转速3100r/min。

(2)送料机构结构及技术参数

V型传送槽由60°的亚克力板制作而成，通过对电磁铁接入220V交流电使电磁铁震动，电磁铁通过弹簧片带动直线轨道以及固定在直线轨道上的V型传送槽运动，使筛分出来的宝石在V型传送槽上形成一条直线并能连续不断的向前传送，使得宝石的运动情况得以合理控制，达到设计的送料要求。根据设计要求，宝石需要直线传送的距离为152.5mm。

(3)计数机构结构及技术参数

考虑到人工宝石本身的特殊属性，人工宝石原材料为立方氧化锆，是一种坚硬、无色及光学上无瑕的结晶，对于普通的电磁感应器都没有明显的反应，故选用压电传感器对宝石进行感应。压电传感器是一款测量振动、撞击和触摸的柔性传感器。当传感器前后振动，模块内部的电压比较器会产生一个电压，输出高低电平。该传感器不仅可以检测强烈的冲击，还可以检测细微的振动，频率范围在0.001HZ～1000MHZ的范围内都有很好的表现。模块设置了一个灵敏度调节开关，把压电传感器灵敏度调节到适合的频率范围，通过人工宝石与传感器的碰撞产生振动，使得传感器内的电压发生变化，并且把信号输送到控制系统，从而得到人工宝石的数量。步进电机与压电振动传感器相互反馈，由传感器计数出来的数目控制步进电机的旋转，每当计数出到达设定的宝石数目时，步进电机将旋转90°使得在临时储存器里面的宝石下落到出料口。

图7 计数装置详细结构设计

实物样机如图8所示，样机经测试，各项指标达到了设计要求。

图8 宝石分拣计数装置样机

4 控制系统设计

系统软件实现主要包括LCD串行显示实现压电传感器信号检测以及步进电机控制。该电路由ULN2003芯片作为驱动芯片，带动步进电机转动，外围引脚OUT1，OUT2，OUT3，OUT4通过电阻RP1至RP4与4个发光二极管相连，指示步进电机的工作状态，当步进电机正常工作时，其四个灯处于接通状态，否则步进电机处于停止或故障状态，其控制信号需从这四个脚输入。引脚INT1，INT2，INT3，INT4直接相连步进电机的四个脚驱动步进电机。8脚和9脚分别接电源地和+5V至+12V电压。控制模块电路图如下页图9所示。

图9 步进电机控制模块原理图

5 结论

宝石自动分拣计数装置能在现有基础上大幅度提高宝石分拣和计数的效率以及准确性，设备的研发对促进宝石分拣计数的效率具有重要的现实意义。研发的宝石分拣计数装置具有全自动分拣和计数的功能，分拣的宝石为市面上产销量大的3mm、4mm、5mm三种尺寸的圆明亮琢型宝石。装置配备了液晶显示系统，能实时显示计数宝石的数量，也可通过控制系统设定所需要的宝石数量，实现宝石的“定量计数”功能。值得一提的是，通过改变筛网孔的尺寸大小，也可实现其他不同尺寸宝石的分拣和计数。设备也可推广应用到其他类似颗粒产品的分拣和计数方面。